CN113310833B - 一种隧道掘进机滚刀达到磨损极限可掘进距离预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道掘进机滚刀达到磨损极限可掘进距离预估方法，结合地质勘测和施工路段岩石取样，采用ATA‑IGGI岩石磨蚀伺服实验仪测量不同岩样区间段滚刀材料磨损率，并建立刀盘不同安装位置盘形滚刀径向磨损量与滚刀材料磨损率，盘形滚刀半径和刀刃宽度，盘形滚刀安装位置，盘形滚刀垂直力，施工路段岩样分布距离，刀盘转速和推进速度之间的关系。本发明结合盘形滚刀刀圈失效标准预估盘形滚刀可掘进距离，从而为盾构掘进机施工中滚刀磨损判断与换刀提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进机施工技术领域，具体涉及一种隧道掘进机滚刀达到磨损极限可掘进距离预估方法。
背景技术
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是一种隧道施工的大型高科技装备。隧道掘进机在掘进过程中，主要靠滚刀与岩石相互作用对岩石进行滚压破碎。在施工过程中，刀具是消耗最多的掘进部件，刀具的磨损程度直接关系到掘进效率和经济效益。然而，在隧道掘进机掘进过程中，复杂多变的地质环境使滚刀破岩过程极为复杂，同时虽有一些滚刀磨损传感器检测滚刀磨损技术，但由于施工工况复杂及传感器安装困难等因素目前尚未形成成熟的滚刀磨损检测技术。岩石的磨蚀性是影响滚刀磨损的一个极重要因素。因此，通过建立磨蚀性与滚刀磨损关系预估滚刀磨损情况，为盾构施工提供参考，合理的提高施工进度和节约施工成本。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种隧道掘进机滚刀达到磨损极限可掘进距离预估方法，实现刀盘不同安装位置上盘形滚刀可掘进距离的预估，从而为隧道掘进机在施工中滚刀磨损的判断和换刀提供参考。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种隧道掘进机滚刀达到磨损极限可掘进距离预估方法，包括以下步骤：
步骤1，通过现场地质勘测和地质取样，确定隧道施工路段岩样分布区间和区间段距离；
步骤2，将岩样加工为磨蚀实验标准形状和尺寸的标准岩样；
步骤3，通过ATA-IGGI岩石磨蚀伺服实验仪进行磨蚀实验，计算不同岩样下滚刀材料磨损率；
步骤4，利用磨蚀性与滚刀磨损量关系，计算各岩样区间段滚刀径向磨损量；
步骤5，对各岩样区间段滚刀径向磨损量求和，根据结果判断滚刀是否达到磨损极限并确定滚刀达到磨损极限岩样区间段；
步骤6，计算滚刀达到磨损极限岩样区间段滚刀可掘进距离；
步骤7，计算已掘进岩样区间段和滚刀磨损极限岩样区间段可掘进距离之和，预估滚刀达到磨损极限掘进距离。
优选的，步骤4中所述磨蚀性与滚刀磨损量关系如下：
Ii为滚刀材料磨损率，Wi为滚刀每转1圈摩擦力做功，R0为盘形滚刀半径，T0为盘形滚刀刀刃宽度，Li为所取岩样区间段长度，ni为所取岩样区间段刀盘转速，vi为所取岩样区间段隧道掘进机推进速度，Rj为盘形滚刀在刀盘上的安装半径。
优选的，步骤5中的判断步骤如下：
滚刀径向磨损量报废标准为Xb，根据滚刀报废磨损标准预估滚刀达到磨损报废所在岩样区间段，
若在k段滚刀径向磨损量之和∑Xk首次大于滚刀径向磨损量报废标准Xb，可以判断滚刀在该岩样分布路段滚刀磨损报废，该岩样区间段滚刀磨损至报废径向磨损量为Xy，
优选的，步骤6中的计算方法为：若在k段岩样分布区间，滚刀径向磨损量达到磨损极限，此段岩样区间可掘进距离为Ly，
对本发明做进一步解释：
进行地质取样和地质勘测，大体确定岩样的分布区间，区间段长度Li及个数N；
实验岩样的制备，将原始岩样经过钻、切、磨3道工艺加工成直径为(50±1)mm、高度为(40±1)mm的圆柱体标准试样，试样上、下端面保持平行，试样端面的平面度公差＜0.05mm；
通过磨蚀试验仪利用与滚刀材料相同的钢针对实验岩样进行实验，在60倍高清数码显微镜下，通过软件测量磨损后钢针针尖直径，并每次旋转120°，记录3次钢针针尖直径测量数据，通过公式(1)计算滚刀材料磨损率I：
其中d为钢针磨蚀后实际直径，μ为钢针与岩石摩擦系数，F为钢针垂直方向正压力，sd为钢针滑动距离。
再利用滚刀材料磨损率，计算各岩样区间段滚刀径向磨损量Xi，建立滚刀径向磨损量与盘形滚刀半径、刀刃宽度、盘形滚刀安装位置、盘形滚刀垂直力、施工路段岩样分布距离、刀盘转速和推进速度之间的关系：
其中，Ii为滚刀材料磨损率，Wi为滚刀每转1圈摩擦力做功，R0为盘形滚刀半径，T0为盘形滚刀刀刃宽度，Li为所取岩样区间段长度，ni为所取岩样区间段刀盘转速，vi为所取岩样区间段隧道掘进机推进速度，Rj为盘形滚刀在刀盘上的安装半径。
公式(2)中滚刀每转1圈磨损摩擦力做功Wi计算公式如下：
Wi＝μFvξ·2πR0 (3)
其中，Fv为盘形滚刀法向力，ξ为盘形滚刀滚压岩石滑移比，
σc为岩石单轴抗压强度；τ为岩石抗剪强度；s为滚刀刀间距；θ为滚刀刀刃角；为盘形滚刀接岩角；D为滚刀直径；h为滚刀贯入度。
计算各岩样区间段滚刀径向磨损量Xi，并沿施工路线统计各段岩样区间滚刀径向磨损量之和。滚刀径向磨损量报废标准为Xb，根据滚刀报废磨损标准预估滚刀滚刀达到磨损报废所在岩样区间段。
若在k段滚刀径向磨损量之和∑Xk首次大于滚刀径向磨损量报废标准为Xb，可以判断滚刀在该岩样分布路段滚刀磨损报废，该岩样区间段滚刀磨损至报废径向磨损量为Xy，
在k段岩样分布区间，滚刀径向磨损量达到磨损极限，此段岩样区间可掘进距离为Ly，
计算掘进岩样区间段的在报废岩样区间段滚刀可掘进距离之和，预估盘形滚刀可掘进距离Lp，
本发明的有益效果是：
本发明提供一种滚刀径向磨损量预估方法，实现刀盘不同安装位置盘形滚刀可掘进距离的预估，从而为隧道掘进机在施工中滚刀磨损的判断和换刀提供参考。
附图说明
图1为本发明的实施流程示意图；
图2为实施例中盘形滚刀的安装示意图；
图3为实施例中滚刀达到磨损极限可掘进距离计算流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
下面结合某供水工程隧道掘进机施工案例，对本发明如何预估滚刀达到磨损极限可掘进距离进行如下详细说明，实施流程如图1所示。
对供水工程隧道施工路段进行地质取样和地质勘测，确定岩样的分布区间，分布区间段长度Li及个数N。本实例中施工路段部分岩样的分布区间如表1所示。
表1
将原始岩样经过钻、切、磨3道工艺加工成直径为(50±1)mm、高度为(40±1)mm的圆柱体标准试样，试样上、下端面保持平行，试样端面的平面度公差＜0.05mm；
通过ATA-IGGI岩石磨蚀伺服实验仪，采用与滚刀材料相同的钢针对实验岩样进行实验，在60倍高清数码显微镜下，通过软件测量磨损后钢针针尖直径，并每次旋转120°，记录3次钢针针尖直径测量数据，求平均值得到d，通过公式计算滚刀材料磨损率I，
各岩样中滚刀材料磨损率如表2所示：
表2
下面结合图2所示的隧道掘进机刀盘(刀盘半径R0＝4010mm)盘形滚刀安装示意图，刀盘上共有51个刀位号，编号#1—#8滚刀为4把直径432mm(17英寸)的中心双刃滚刀；编号#9—#39滚刀为正滚刀，滚刀直径D为508mm(20英寸)，正滚刀刀间距s为82.4mm。
本实施实例中，选用刀盘上刀位#30号滚刀进行磨损极限可掘进距离预估，#30号滚刀安装半径Rj为2524mm，滚刀刀刃宽度T0为19mm。按照滚刀达到磨损极限可掘进距离计算流程示意图进行掘进距离计算，如图3所示。
本实例中，隧道掘进机在片麻状花岗岩段施工过程贯入度h为6.25mm/r，滚刀刀间距s为82.4mm，岩石单轴抗压强度σc为170MPa，抗剪切强度τ为20MPa，滚刀刀刃角θ为54°。如表2所示，滚刀材料磨损率I为0.0266。根据CMS滚刀受力模型，计算出盘形滚刀法向力Fv，
盘形滚刀滚压岩石滑移比为ξ，
滚刀每转1圈摩擦力做功Wi计算公式如下：
Wi＝μFvξ·2πR0＝91.477J
本实例中片麻状花岗岩分布距离Li为30m，隧道掘进机推进速度vi为25mm/min，刀盘转速ni为4r/min，根据滚刀径向磨损量与滚刀半径、刀刃宽度计等相互关系，计算出滚刀径向磨损量
本实例中滚刀径向磨损量报废标准Xb＝20mm，片麻状花岗岩段滚刀径向磨损量3.828mm小于滚刀报废磨损标准。按照图3所示本实例中滚刀达到磨损极限可掘进距离计算流程示意图继续对下一路段滚刀径向磨损量进行计算。
若在k段滚刀径向磨损量之和∑Xk首次大于滚刀径向磨损量报废标准为Xb，可以判断滚刀在该岩样分布路段滚刀磨损报废，该岩样区间段滚刀磨损至报废径向磨损量为Xy，
在k段岩样分布区间，滚刀径向磨损量达到磨损极限，此段岩样区间可掘进距离为为Ly，
计算掘进岩样区间段的在报废岩样区间段滚刀可掘进距离之和，预估盘形滚刀可掘进距离Lp，
通过上述计算结果可预估隧道掘进机滚刀在达到磨损极限时可掘进的距离。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，在此不再一一详述。
Claims (1)
1.一种隧道掘进机滚刀达到磨损极限可掘进距离预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过现场地质勘测和地质取样，确定隧道施工路段岩样分布区间和区间段距离；
步骤2，将岩样加工为磨蚀实验标准形状和尺寸的标准岩样；
步骤3，通过ATA-IGGI岩石磨蚀伺服实验仪进行磨蚀实验，计算不同岩样下滚刀材料磨损率；
步骤4，利用磨蚀性与滚刀磨损量关系，计算各岩样区间段滚刀径向磨损量，所述磨蚀性与滚刀磨损量关系如下：Ii为滚刀材料磨损率，Wi为滚刀每转1圈摩擦力做功，R0为盘形滚刀半径，T0为盘形滚刀刀刃宽度，Li为所取岩样区间段长度，ni为所取岩样区间段刀盘转速，vi为所取岩样区间段隧道掘进机推进速度，Rj为盘形滚刀在刀盘上的安装半径；
步骤5，对各岩样区间段滚刀径向磨损量求和，根据结果判断滚刀是否达到磨损极限并确定滚刀达到磨损极限岩样区间段，具体判断步骤如下：滚刀径向磨损量报废标准为Xb，根据滚刀报废磨损标准预估滚刀达到磨损报废所在岩样区间段，若在k段滚刀径向磨损量之和∑Xk首次大于滚刀径向磨损量报废标准Xb，可以判断滚刀在该岩样分布路段滚刀磨损报废，该岩样区间段滚刀磨损至报废径向磨损量为Xy，/>
步骤6，计算滚刀达到磨损极限岩样区间段滚刀可掘进距离，计算方法为：
若在k段岩样分布区间，滚刀径向磨损量达到磨损极限，此段岩样区间可掘进距离为Ly，
步骤7，计算已掘进岩样区间段和滚刀磨损极限岩样区间段可掘进距离之和，预估滚刀达到磨损极限掘进距离。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08144682A (ja) * | 1994-11-18 | 1996-06-04 | Fudo Constr Co Ltd | トンネル地山探査システム |
| CN105181503A (zh) * | 2015-10-10 | 2015-12-23 | 中铁隧道集团有限公司 | 滚刀复合磨蚀实验仪 |
| CN106248515A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-12-21 | 中铁隧道集团有限公司 | 一种盾构tbm滚刀磨蚀性预测方法 |
| CN106570275A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-04-19 | 沈阳工业大学 | 一种基于cai值的tbm滚刀磨损预测方法 |
| CN108254277A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-07-06 | 中铁隧道局集团有限公司 | 一种高效滚刀磨蚀实验装置 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08144682A (ja) * | 1994-11-18 | 1996-06-04 | Fudo Constr Co Ltd | トンネル地山探査システム |
| CN105181503A (zh) * | 2015-10-10 | 2015-12-23 | 中铁隧道集团有限公司 | 滚刀复合磨蚀实验仪 |
| CN106248515A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-12-21 | 中铁隧道集团有限公司 | 一种盾构tbm滚刀磨蚀性预测方法 |
| CN106570275A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-04-19 | 沈阳工业大学 | 一种基于cai值的tbm滚刀磨损预测方法 |
| CN108254277A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-07-06 | 中铁隧道局集团有限公司 | 一种高效滚刀磨蚀实验装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Cutter wear evaluation from operational parameters in EPB tunneling of Chengdu Metro;Xuening Rong;《Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research》;20191231;全文 * |
| Stress dependency of the Cerchar abrasivity index (CAI) and its effects on wear of selected rock cutting tools;Michael Alber;《Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research》;20071231;全文 * |
| 基于现场试验的TBM滚刀磨损分析及预测;秦银平;《 隧道建设》;20191207;全文 * |
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